JP2005095934A - レーザ溶接装置 - Google Patents

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伸一 中山
Makoto Ogawa
誠 小川
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Abstract

【課題】 被溶接材に設定された複数の溶接ポイントに短時間のタクトで安定確実かつ高効率のスポット溶接を行うこと。
【解決手段】 先ずレーザ光学系14において、ガルバノメータ・スキャナ32が目的の溶接ポイントPへのスキャニングを行う。次いで、電源部12において、電源制御部52が、レーザ出力測定値MLBをレーザ出力ピーク設定値に対応する基準信号Srefに一致または追従させるように、パルス幅設定値に相当する期間に亘ってスイッチング素子48のスイッチング動作を制御する。こうして、レーザ発振部10からは設定通りのピーク出力およびパルス幅でパルスレーザ光LBが発振出力され、レーザ光学系14のガルバノメータ・スキャナ32よりパルスレーザ光LBが被溶接材Wの溶接ポイントP2に集光照射される。

【選択図】 図1

Description

本発明は、レーザ溶接技術に係り、特に被溶接材にパルスレーザ光を照射してスポット溶接を行うレーザ溶接装置に関する。
レーザ溶接は、レーザ光を加工点に集光して被溶接材をレーザのエネルギーで一瞬に溶融して接合する技術であり、被溶接材の材質や板厚の変更に柔軟かつ迅速に対応でき、異種金属の溶接もできる等の特長がある。従来より、被溶接材を局部的に溶接するスポット溶接には、パルス発振型のYAGレーザ溶接装置が多用されている。
従来のパルス発振型YAGレーザ溶接装置は、電源部に電力蓄積用のコンデンサを設け、該コンデンサをパルスレーザのパルス幅に相当する時間だけ放電させ、その放電電流をレーザ発振部の励起光源に供給するようにしている。レーザ発振部では、励起光源が電源部からの電力(放電電流)の供給を受けて点灯または発光し、その励起光によってレーザ媒体のYAGロッドを励起してパルスレーザ光を発振出力するようにしている。ここで、パルスレーザ光のピーク出力は該コンデンサの放電開始時の電圧または充電電圧によって決まる。したがって、たとえば、1kWのピーク出力でスポット溶接を行うときはコンデンサの充電電圧を300Vに設定し、3kWのピーク出力でスポット溶接を行うときはコンデンサ充電電圧を500Vに設定する。レーザ発振部より発振出力されたパルスレーザ光は、ミラーや光学レンズ等で構成されるレーザ光学系を介して被溶接材上の設定箇所つまり溶接ポイントに照射される。パルスレーザ光を照射された溶接ポイントでは、レーザエネルギーによって被溶接材の表面が溶融し、さらに表面からの熱伝導によって溶融部分が内奥に広がり、被溶接材の重ね合わされた2枚の板材が溶接される。
ところで、被溶接材を複数の箇所(溶接ポイント)でそれぞれ局部的に溶接するスポット溶接では、被溶接材上でパルスレーザ光の照射位置を各溶接ポイントへ順次移動させる必要がある。このレーザ走査を行うために、レーザ光学系側を固定して被溶接材をXYテーブル上で水平方向に移動させるXYテーブル方式か、あるいは被溶接材側を固定テーブル上に固定してレーザ光学系側でガルバノメータ型の光走査器を用いてパルスレーザ光の照射位置を光学的に走査するスキャニング方式が採られている。両方式のうち、スキャニング方式の方が高速走査を行うのに断然適している。
しかしながら、従来のパルス発振型YAGレーザ溶接装置では、スキャニング方式を採用しても、上記のように電源部内の電力蓄積用コンデンサを充電する電圧によってパルスレーザ光のピーク出力が決まるため、高速走査を実現することが困難であった。すなわち、或る溶接ポイントにおいてたとえば1kWのピーク出力でスポット溶接を行ったのち次の溶接ポイントにおいてたとえば3kWのピーク出力でスポット溶接を行うべき場合、レーザ光学系側ではスキャン・ミラーの振れ角の制御によりレーザ照射位置の移動を瞬時に行えるものの、電源部側で電力蓄積用コンデンサの充電電圧を1kW用の設定値(300V)から3kW用の設定値(500V)まで上げるのに相当の時間(充電時間)を費やし、この充電時間によって次の溶接ポイントへの実質的なタクト時間が律則されてしまうという問題があった。また、電力蓄積用コンデンサの充電電圧を下げる場面でも、たとえば3kW用の設定値(500V)から1kW用の設定値(300V)に切り換える場合、切り換え直後はレーザ出力が安定しないため、スキャン・ミラーを被溶接材の無い所定の方角へ向けて最初の一発ないし数発のパルスレーザ光をダミーとして捨て打ちする必要があり、時間だけでなくエネルギーでも無駄な損失があった。
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、被溶接材に設定された複数の溶接ポイントに短時間のタクトで安定確実かつ高効率のスポット溶接を行えるようにしたレーザ溶接装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ溶接装置は、被溶接材上に設定された溶接ポイントにパルスレーザ光を照射して前記パルスレーザ光のエネルギーで前記被溶接材を溶接するためのレーザ溶接装置において、レーザ媒体とこのレーザ媒体を光で励起する励起光源とを有し、前記励起光源に供給される電力に応じたレーザ出力で前記パルスレーザ光を発生するレーザ発振部と、前記レーザ発振部からの前記パルスレーザ光を前記溶接ポイントへ向けて反射するためのスキャン・ミラーを有し、前記被溶接材上で前記パルスレーザ光の照射位置を光学的に走査するレーザ走査部と、前記レーザ発振部より発生された前記パルスレーザ光のレーザ出力を測定するレーザ出力測定部と、前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値をフィードバックして前記レーザ発振部の励起光源に電力を供給する電源部とを有する。
上記の構成においては、レーザ走査部により被溶接材におけるパルスレーザ光の照射位置を高速に移動できるとともに、レーザ出力測定部および電源部で構成されるレーザパワー・フィードバック系により精度および応答性に優れた電力をレーザ発振部の励起光源に供給できることで、短いタクトで各溶接ポイントに対するスポット溶接を順次実行し、各溶接ポイント毎に設定通りの溶接条件で被溶接材を溶接することができる。
本発明の好適な一態様におけるレーザ走査部は、レーザ発振部からのパルスレーザ光を入射する第1の軸で回転可能な第1のスキャン・ミラーと、第1のスキャン・ミラーで反射されたパルスレーザ光を入射する第1の軸と直交する第2の軸で回転可能な第2のスキャン・ミラーと、パルスレーザ光の照射位置を第1の方向において溶接ポイントに位置合わせするために第1のスキャン・ミラーを回転駆動して所定のミラー回転角度に合わせる第1のガルバノメータと、パルスレーザ光の照射位置を第2の方向において溶接ポイントに位置合わせするために第2のスキャン・ミラーを回転駆動して所定のミラー回転角度に合わせる第2のガルバノメータと、第2のスキャン・ミラーで反射されたパルスレーザ光を入射して溶接ポイントに集光する集光レンズとを有する。
本発明の好適な一態様における電源部は、レーザ発振部の励起光源に供給する電力を蓄積するコンデンサと、このコンデンサと励起光源との間に接続されたスイッチング素子と、コンデンサを予め設定された充電電圧に充電する充電部と、レーザ出力測定部からのレーザ出力測定値をレーザ出力設定値と比較し、比較誤差に基づいてスイッチング素子をスイッチング制御する電源制御部とを有する。この構成の電源部において、好ましくは、電源制御部は、スイッチング素子をパルス幅制御方式でスイッチング制御してよい。また、充電部は、商用周波数の交流を整流して直流に変換する第1の整流回路と、この第1の整流回路より出力された直流を高周波パルスに変換するインバータと、このインバータの出力を一次側コイルに入力し、二次側コイルより昇圧された高周波パルスを出力するトランスと、このトランスの二次側コイルより出力された高周波パルスを整流して該コンデンサに直流の充電電流を供給する第2の整流回路と、該コンデンサの充電電圧を測定する電圧測定部と、この電圧測定部より得られる電圧測定値が充電電圧設定値付近に維持されるようにインバータのスイッチング動作を制御する充電電圧制御手段とを有してよい。さらに好ましくは、充電部が、該コンデンサに供給される充電電流を測定する電流測定手段と、この電流測定手段より得られる充電電流測定値を充電電流設定値に一致させるように前記インバータのスイッチング動作を制御する充電電流制御手段とを有してよい。
本発明のレーザ溶接装置によれば、上記のような構成および作用により、被溶接材に設定された複数の溶接ポイントに短時間のタクトで安定確実かつ高効率のスポット溶接を行うことができる。
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
図1に、本発明の一実施形態におけるパルス発振型YAGレーザ溶接装置の構成を示す。このレーザ溶接装置は、レーザ発振部10、電源部12、レーザ光学系14、制御系16、レーザ出力測定部86等から構成されている。
レーザ発振部10は、チャンバ18内に配置された励起用光源たとえば励起ランプ20およびレーザ媒体たとえばYAGロッド22と、チャンバ18の外でYAGロッド22の光軸上に配置された一対の光共振器ミラー24,26とを有している。チャンバ18内で励起ランプ20およびYAGロッド22は、チャンバ外の冷却部(図示せず)より循環供給される冷却媒体たとえば冷却水によって温調される。励起ランプ20がパルス点灯して励起光を発すると、その励起光のエネルギーでYAGロッド22が励起され、YAGロッド22の両端面より光軸上に出た光が光共振器ミラー24,26の間で反射を繰り返して増幅されたのちパルスレーザ光LBとして出力ミラー24を抜け出る。出力ミラー24より抜け出たパルスレーザ光LBはレーザ光学系14の入射ユニット28に送られる。
レーザ光学系14は、スキャニング方式の光学系であり、レーザ発振部10より入射ユニット28に受け取ったパルスレーザ光LBを光ファイバ30を介してガルバノメータ・スキャナ32に伝送し、後述するように制御系16の制御の下でガルバノメータ・スキャナ32よりパルスレーザ光LBを被溶接材Wの溶接ポイントに集光照射する。
図2に、ガルバノメータ・スキャナ32内の構成例を示す。このガルバノメータ・スキャナ32は、互いに直交する回転軸34X,34Yに取り付けられたX軸スキャン・ミラー36XおよびY軸スキャン・ミラー36Yと、両ミラー36X,36Yをそれぞれ回転振動(首振り)させるX軸ガルバノメータ38XおよびY軸ガルバノメータ38Yとを有している。
光ファイバ30の端面より放射状に出たパルスレーザ光LBは、コリメータレンズ40によって平行光線となり、先ずX軸スキャン・ミラー36Xに入射して、そこで全反射してからY軸スキャン・ミラー36Yに入射し、このミラー36Yで全反射してのちfθレンズ42を通って被加工材Wの溶接ポイントP付近に集光する。被加工材W上のパルスレーザ光LBの照射位置は、X方向においてはX軸スキャン・ミラー36Xの振れ角によって決まり、Y方向においてはY軸スキャン・ミラー36Yの振れ角によって決まる。X軸スキャン・ミラー36XはX軸ガルバノメータ38Xの駆動で矢印A,A’方向に回転振動(首振り)し、Y軸スキャン・ミラー36YはY軸ガルバノメータ38Yの駆動で矢印B,B’方向に回転振動(首振り)するようになっている。
X軸ガルバノメータ38Xは、たとえば、X軸スキャン・ミラー36Xに結合された可動鉄片(回転子)と、この可動鉄片に接続された制御バネと、固定子に取り付けられた駆動コイルとを有している。後述する制御系16のスキャナ制御部92よりX方向スキャニング制御信号に応じた駆動電流が電気ケーブル44Xを介してX軸ガルバノメータ38X内の該駆動コイルに供給されることで、該可動鉄片(回転子)が該制御バネに抗してX軸スキャン・ミラー36Xと一体にX方向スキャニング制御信号の指定する角度に振れるようになっている。
Y軸ガルバノメータ38Yも同様の構成を有しており、上記スキャナ制御部92よりY方向スキャニング制御信号に応じた駆動電流が電気ケーブル44Yを介してY軸ガルバノメータ38Y内の駆動コイルに供給されることで、Y軸ガルバノメータ38Y内の可動鉄片(回転子)がY軸スキャン・ミラー36Yと一体にY方向スキャニング制御信号の指定する角度に振れるようになっている。
再び図1において、レーザ電源部12は、レーザ発振部10の励起ランプ20に供給すべきレーザ発振用の電力を蓄積するコンデンサ46と、このコンデンサ46と励起ランプ20との間に接続されたスイッチング素子48と、コンデンサ46を充電するための充電回路50と、電源部内の各部、特にスイッチング素子48や充電回路50を制御するための電源制御部52とを有する。
スイッチング素子48は、たとえばIGBT(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)からなり、電源制御部52より駆動回路54を介して与えられる高周波数(たとえば20kHz)のスイッチング制御信号SCに応じてオン・オフするようになっている。スイッチング素子48と励起ランプ20との間には、インダクタンスコイル56とフライホイール・ダイオード58と逆流防止ダイオード60とを含むランプ電流供給回路が設けられている。スイッチング素子48がオンすると、コンデンサ46、スイッチング素子48、インダクタンスコイル56、逆流防止ダイオード60および励起ランプ20を含む閉回路でランプ電流IRが流れる。つまり、コンデンサ46に蓄積されていたエネルギーが放電電流として励起ランプ20に供給される。スイッチング素子48がオフすると、フライホイール・ダイオード58、インダクタンスコイル56、逆流防止ダイオード60および励起ランプ20を含む閉回路でランプ電流IRが流れる。つまり、インダクタンスコイル56に蓄積されていたエネルギーが還流電流として励起ランプ20に供給される。
充電回路50は、商用交流たとえば三相交流電源電圧(U,V,W)を直流に変換してコンデンサ46を所定の直流電圧に充電する。図3に、充電回路50の構成例を示す。この充電回路50は、整流回路62、インバータ66、昇圧トランス70および整流回路74を有する。
整流回路62は、たとえば6個のダイオードを三相ブリッジ結線してなる三相整流回路からなり、三相交流電源電圧(U,V,W)を所定レベルの電圧に変換(整流)する。整流回路62より出力された直流電圧は、平滑コンデンサ64を介してインバータ66の入力端子INa,INb間に印加される。
インバータ66は、たとえばGTR(ジャイアント・トランジスタ)またはIGBTからなるブリッジ結線された4個のスイッチング素子Q1,Q3,Q2,Q4を有している。これら4個のスイッチング素子のうち、第1組(正極側)のスイッチング素子Q1,Q3は駆動回路68からの同相の駆動パルス(スイッチング制御信号)S1,S3により同時にオン・オフし、第2組(負極側)のスイッチング素子Q2,Q4は駆動回路68からの同相の駆動パルス(スイッチング制御信号)S2,S4により同時にオン・オフするようになっている。第1組の駆動パルス(S1,S3)と第2組の駆動パルス(S2,S4)とは互いに逆相の関係を有している。
インバータ66の出力端子OUTa,OUTbは昇圧トランス70の一次側コイルに接続されている。第1組のスイッチング素子Q1,Q3がオンして、第2組のスイッチング素子Q2,Q4がオフする時は、昇圧トランス70の一次側回路で一次電流I1が正方向に流れる。第1組のスイッチング素子Q1,Q3がオフして、第2組のスイッチング素子Q2,Q4がオンする時は、一次電流I1が負方向に流れる。こうして、インバータ66は、整流回路62より入力する直流電圧を高周波数のスイッチングで切り刻むようにして高周波交流のパルスを出力する。
昇圧トランス70の二次側コイルは、一対のダイオード72A,72Bからなる整流回路74を介してコンデンサ46に接続されている。昇圧トランス70の二次側回路において、二次側コイルに得られる昇圧された高周波交流は整流回路74で整流され、整流回路74より出力される直流の充電電流I2によってコンデンサ46が充電される。
この実施例では、二次側の充電電流I2を電流センサたとえばカレント・トランス76および電流測定回路78で測定するとともに、コンデンサ端子間電圧(充電電圧)Vcを電圧センス線80および電圧測定回路82で測定する。そして、一次側でインバータ66のスイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4を駆動回路68を介してスイッチング(オン・オフ)制御する充電制御回路84に、電流測定回路78からの電流測定値MI2と電圧測定回路82からの電圧測定値MVcとを帰還している。充電制御回路84は、定電流フィードバック制御を行うために、電流測定回路78からの電流測定値MI2を設定電流値と比較し、比較誤差に応じたPWM(パルス幅制御)方式のスイッチング制御信号S1,S2,S3,S4を生成する。また、充電制御回路84は、電圧測定回路82からの電圧測定値MVcをモニタし、電圧測定値MVcが設定電圧値付近に維持されるようにコンデンサ充電動作を制御する。
再び図1において、レーザ出力測定部86は、レーザ発振部10の光共振器ミラー24,26において全反射ミラー26の背後に漏れたレーザ光LB'を受光するフォトセンサと、このフォトセンサより出力される電気信号に基づいてパルスレーザ光LBのレーザ出力を測定する測定回路とを有しており、該測定回路より得られるレーザ出力測定値信号MLBを電源制御部52に与える。一方で、電源制御部52には、クロック回路88からの高周波スイッチング用の基本クロックCKと、主制御部90からの基準信号Srefとが与えられる。
電源制御部52は、レーザ出力測定部86より得られるレーザ出力測定値MLBが基準信号Srefに一致または追従するように、スイッチング素子48のスイッチング(オン・オフ)動作を制御する。このレーザパワー・フィードバック制御を行うために、電源制御部52は、レーザ出力測定部86からのレーザ出力測定値MLBを基準信号Srefと比較し、比較誤差に応じたPWM方式のスイッチング制御信号SCを生成する。
制御系16は、主制御部90、スキャナ制御部92および入力部94等を有する。主制御部90は、マイクロコンピュータで構成されてよく、装置全体の動作を統括制御する。特に、スポット溶接に際しては、スキャナ制御部92を介してレーザ光学系14のガルバノメータ・スキャナ32にレーザ照射位置の移動(走査)を行わせるとともに、電源制御部52を通じて電源部12およびレーザ発振部10にパルスレーザ発振を行わせる。入力部94は、キーボードやディスプレイあるいは通信インタフェース等を含み、各種条件設定値その他のデータを入力する。
次に、図4〜図8につきこの実施形態のレーザ溶接装置における作用を説明する。
図4に、この実施形態における被溶接材Wの一例を示す。この被溶接材Wは、金属からなる2枚の板材wa,wbを重ね合わせたものである。2段階の板厚を有する板材wa側から溶接ポイントPにパルスレーザ光を照射して両板材wa,wbをスポット溶接する。この例では、たとえば仮止め用のスポット溶接を行うために、板材waの肉薄部に2箇所の溶接ポイントP1,P2を設定し、板材waの肉厚部に2箇所の溶接ポイントP3,P4を設定している。
かかる被溶接材Wに対しては、入力部94より予め各溶接ポイントP1,P2,P3,P4について所望の加工条件が設定入力される。図5に、レーザ条件の設定例を示す。この例では、各溶接ポイントPn(n=1〜4)に割り当てられる各1個のパルスレーザ光LBnについて、レーザエネルギー(J)、レーザ出力ピーク値(kW)およびパルス幅(ms)の各条件が設定される。図5の例では、板材waの肉薄部に設定された溶接ポイントP1,P2に対するパルスレーザ光LB1,LB2については、レーザエネルギーが「1J」、レーザ出力ピーク値が「1kW」およびパルス幅が「1ms」にそれぞれ設定されている。また、板材waの肉厚部に設定された溶接ポイントP3,P4に対するパルスレーザ光LB3,LB4については、レーザエネルギーが「3J」、レーザ出力ピーク値が「3kW」およびパルス幅が「1ms」にそれぞれ設定されている。なお、他の加工条件として、溶接作業テーブル(図示せず)上の各溶接ポイントP1,P2,P3,P4に対応するレーザ照射位置等も設定入力される。主制御部90は、設定入力された加工条件のデータを内蔵のメモリに格納する。
図6に、このレーザ溶接装置におけるスポット溶接加工の主要な手順を示す。被溶接材Wが溶接作業テーブル上で位置決めされた後に、外部装置(たとえば搬送ロボット)より主制御装置90に起動信号が入力され、装置内の各部で初期化が行なわれる(ステップS1)。
初期化の後、主制御部90は、最初の溶接ポイントP1に係る条件の設定値、特にレーザ照射位置、レーザ出力ピーク値およびパルス時間の各設定値をメモリより読み出して所定のレジスタにセットし(ステップS2)、所定のシーケンスで各部を作動させる。
先ず、スキャナ制御部92を通じてレーザ光学系14のガルバノメータ・スキャナ32に最初の溶接ポイントP1へのスキャニングを行わせる(ステップS3)。上記したように、ガルバノメータ・スキャナ32においては、被溶接材W上のレーザ照射位置が、X方向においてはX軸スキャン・ミラー36Xの振れ角によって決まり、Y方向においてはY軸スキャン・ミラー36Yの振れ角によって決まる。かくして、スキャナ制御部92の制御の下で、X軸ガルバノメータ38XおよびY軸ガルバノメータ38YがそれぞれX軸スキャン・ミラー36XおよびY軸スキャン・ミラー36Yを溶接ポイントP1に対応するミラー振れ角に合わせる。このガルバノメータ・スキャナ32におけるスキャニング動作は極短時間たとえば数ms以内で完了する。
次に、主制御部90は、電源部12の電源制御部52に最初の溶接ポイントP1に係るレーザ出力ピーク値およびパルス時間の各設定値を与えてレーザ発振部10への電力投入を開始させる。電源部12では、前以て充電回路50によりコンデンサ46を設定電圧(たとえば670V)に充電している。したがって、主制御部90からの指示を受けると、電源制御部52は直ちにスイッチング素子48を介してコンデンサ46に蓄積されている電力をレーザ発振部10の励起ランプ20に供給して、励起ランプ20をパルス点灯させ、レーザ発振部10よりパルスレーザ光LBを発振出力させる(ステップS4)。
この際、電源制御部52は、レーザ出力測定部86より得られるレーザ出力測定値MLBがピーク出力設定値(1kW)に対応する基準信号Srefに一致または追従するように、パルス幅設定値(1ms)に相当する期間に亘ってスイッチング素子48のスイッチング(オン・オフ)動作を制御する。このレーザパワー・フィードバック制御によれば、レーザ発振部10の励起ランプ20に供給される電力がスイッチング素子48におけるスイッチング(オン・オフ)のデューティ比で可変制御され、コンデンサ48の端子間電圧Vcには依存しない。また、コンデンサ46に蓄積されている電力がパルス幅に相当する短時間の内にレーザ発振部10の励起ランプ20に放出されることにより、コンデンサ46の端子間電圧Vcが一瞬ドロップする。しかし、充電回路50からの充電によってコンデンサ電圧Vcは直ぐに設定電圧(670V)に復帰することができる。
こうしてレーザ発振部10からは、図7に示すように、設定通りのピーク出力(1kW)およびパルス幅(1ms)でパルスレーザ光LB1が発振出力される。そして、このレーザ発振部10からのパルスレーザ光LB1は、レーザ光学系14において光ファイバ30の中を伝搬して、ガルバノメータ・スキャナ32より被溶接材Wの溶接ポイントP1に集光照射される。該溶接ポイントP1においては、パルスレーザ光LB1のエネルギーによって上部板材waの表面が一瞬に溶融し、さらに表面からの熱伝導により溶融部分が下部板材wbまで広がり、両板材wa,wbが溶接される(図8)。
上記のようにして最初の溶接ポイントP1に対するスポット溶接を終えると、主制御部90は2番目の溶接ポイントP2に係る条件設定値(レーザ照射位置、レーザ出力ピーク値、パルス時間等)をメモリより読み出して所定のレジスタにセットし(ステップS5→S6→S2)、溶接ポイントP1に対するのと同様の手順で各部を動作させる。
すなわち、先ずレーザ光学系14において、ガルバノメータ・スキャナ32が2番目の溶接ポイントP2へのスキャニングを行う(ステップS3)。次いで、所定のタイミングで、つまり前回のパルス発振の終了時から一定時間Tc(たとえば3〜20ms)経過後に、電源部12においてレーザ発振部10に対する電力の投入を開始し、電源制御部52が、レーザ出力測定値MLBをピーク出力設定値(1kW)に対応する基準信号Srefに一致または追従させるように、パルス幅設定値(1ms)に相当する期間に亘ってスイッチング素子48のスイッチング(オン・オフ)動作を制御する(ステップS4)。このときも、レーザ発振部10に投入される電力はスイッチング素子48におけるスイッチング(オン・オフ)のデューティ比で決まり、コンデンサ46の端子間電圧Vcには依存しない。こうして、レーザ発振部10からは、図7に示すように、設定通りのピーク出力(1kW)およびパルス幅(1ms)で2番目のパルスレーザ光LB2が発振出力される。そして、このパルスレーザ光LB2がレーザ光学系14のガルバノメータ・スキャナ32より被溶接材Wの溶接ポイントP2に集光照射され、該溶接ポイントP2において両板材wa,wbが溶接される(図8)。
上記のようにして2番目の溶接ポイントP2に対するスポット溶接を終えると、主制御部90は3番目の溶接ポイントP3に係る条件設定値(レーザ照射位置、レーザ出力ピーク値、パルス時間等)をメモリより読み出して所定のレジスタにセットし(ステップS5→S6→S2)、上記と同様の手順で各部を動作させる。
すなわち、先ずレーザ光学系14において、ガルバノメータ・スキャナ32が3番目の溶接ポイントP3へのスキャニングを行う(ステップS3)。次いで、電源部12においてレーザ発振部10に対する電力投入を開始する。電源部12では、レーザ発振部10より発振出力されるパルスレーザ光LBのピーク出力に関係なくコンデンサ46の端子間電圧Vcを常時設定値付近に保持しているため、ピーク出力設定値1kWの溶接ポイントP2からピーク出力設定値3kWの溶接ポイントP2へ移行するに際しても、コンデンサ46の端子間電圧または充電電圧Vcの調整に時間を要することなく、所望のタイミングで(この例では一定の休止時間Tc後に)レーザ発振部10に対する電力投入を開始することができる。そして、電源制御部52が、レーザ出力測定値MLBをピーク出力設定値(3kW)に対応する基準信号Srefに一致または追従させるように、パルス幅設定値(1ms)に相当する期間に亘ってスイッチング素子48のスイッチング(オン・オフ)動作を制御する(ステップS4)。このレーザパワー・フィードバック制御により、レーザ発振部10からは、図7に示すように、設定通りのピーク出力(3kW)およびパルス幅(1ms)で3番目のパルスレーザ光LB3が発振出力される。このパルスレーザ光LB3がレーザ光学系14のガルバノメータ・スキャナ32より被溶接材Wの溶接ポイントP3に集光照射され、この溶接ポイントP3において両板材wa,wbが溶接される(図8)。
こうして3番目の溶接ポイントP3に対するスポット溶接を終えると、次に4番目の溶接ポイントP4に対するスポット溶接が上記と同様の手順および動作で行なわれる。この場合も、4番目のパルスレーザ光LB4が設定通りのピーク出力(3kW)およびパルス幅(1ms)で4番目の溶接ポイントP4に集光照射され、この溶接ポイントP4で両板材wa,wbが溶接される(図8)。
なお、図7において、レーザ出力(測定値)の波形に含まれるリップルrpの周期tsはスイッチング素子48のスイッチング(オン・オフ)の周期に相当するものである。たとえば、スイッチング周波数が20MHzの場合、tsは50μsecである。
上記のように、この実施形態のパルス発振型YAGレーザ溶接装置においては、被溶接材W上に設定された複数の溶接ポイントP1,P2,P3,‥‥について溶接条件、特にパルスレーザ光LBのピーク出力を異なる値に設定しても、スキャニング方式のレーザ光学系14によりレーザ照射位置を極短時間の内に目的の溶接ポイントPnに走査移動できるとともに、電源部12ではレーザパワー・フィードバック制御により任意のタイミングでレーザ発振部10に所望の電力を投入できるため、コンデンサ46の端子間電圧または充電電圧Vcの調整に時間を要することもなければ、いわゆる捨て打ちでダミーのパルスレーザ光LBを無駄に出射する必要もなく、短いタクトで溶接ポイントP1,P2,P3,‥‥に対するスポット溶接を順次実行し、各溶接ポイント毎に設定通りの溶接条件で被溶接材Wを溶接することができる。
図4の例は、第1および第2の溶接ポイント(P1,P2)と第3および第4の溶接ポイント(P3,P4)間で板厚が異なる場合であった。他の加工例として、複数の溶接ポイント間で板材の材質が異なる場合もある。たとえば、下部板材wbが銅で、上部板材waが真鍮の板材wa1とリン青銅の板材wa2とからなり、真鍮の板材wa1およびリン青銅の板材wa2にそれぞれ溶接ポイントが設定される場合である。このような場合でも、レーザ出力のピーク値やパルス幅等の条件設定値を各溶接ポイント毎に独立して選定することで対応可能であり、上記と同様に短いタクトで各溶接ポイントに設定通りのスポット溶接を順次実行することができる。また、図7のレーザ出力波形は一例であり、パルスレーザ光LBのレーザ出力波形(設定値)として任意の基準値または基準波形を設定することができる。
以上好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その技術思想の範囲内で種々の変形・変更が可能である。たとえば、レーザ光学系14において、光ファイバ30を用いずに、レーザ発振部10からのパルスレーザ光LBを直接またはベントミラーを介してガルバノメータ・スキャナ32に送ることも可能である。ガルバノメータ・スキャナ32内のミラー回転構造(図2)も種々の変形が可能である。レーザ発振部10においては、励起光源20として半導体レーザを使用することも可能である。電源部12においては、三相交流電源(U,V,W)を単相交流電源に置き換え、充電回路50を単相式のものに置き換える構成や、インバータ66および昇圧トランス70をチョッパ方式昇圧型のDC−DCコンバータに置き換える構成等が可能である。
本発明の好適な一実施形態によるパルス発振型YAGレーザ溶接装置の全体構成を示すブロック図である。 実施形態のレーザ溶接装置におけるガルバノメータ・スキャナ内の構成例を示す斜視図である。 実施形態のレーザ溶接装置における充電回路の構成例を示す回路図である。 実施形態における被溶接材の一例を示す斜視図である。 実施形態における加工条件(レーザ条件)の設定例を示す図である。 実施形態のレーザ溶接装置における一連のスポット溶接のための手順を示すフローチャートである。 実施形態におけるレーザ出力波形(設定値および測定値)の一例を示す図である。 実施形態において被溶接材の各溶接ポイントに得られる溶接部(溶け込み部)の断面構造を模式的に示す断面図である。
符号の説明
10 レーザ発振部
12 電源部
14 レーザ光学系
16 制御系
20 励起ランプ(励起光源)
22 レーザ媒体
32 ガルバノメータ・スキャナ
34X,34Y 回転軸
36X X軸スキャン・ミラー
36Y Y軸スキャン・ミラー
38X X軸ガルバノメータ
38Y Y軸ガルバノメータ
42 fθレンズ
46 コンデンサ
48 スイッチング素子
50 充電回路
52 電源制御部
62 整流回路
66 インバータ
70 昇圧トランス
74 整流回路
76 電流センサ
78 電流測定回路
82 電圧測定回路
84 充電制御回路
86 レーザ出力測定部
90 主制御部
92 スキャナ制御部
94 入力部

Claims (6)

  1. 被溶接材上に設定された溶接ポイントにパルスレーザ光を照射して前記パルスレーザ光のエネルギーで前記被溶接材を溶接するためのレーザ溶接装置において、
    レーザ媒体とこのレーザ媒体を光で励起する励起光源とを有し、前記励起光源に供給される電力に応じたレーザ出力で前記パルスレーザ光を発生するレーザ発振部と、
    前記レーザ発振部からの前記パルスレーザ光を前記溶接ポイントへ向けて反射するためのスキャン・ミラーを有し、前記被溶接材上で前記パルスレーザ光の照射位置を光学的に走査するレーザ走査部と、
    前記レーザ発振部より発生された前記パルスレーザ光のレーザ出力を測定するレーザ出力測定部と、
    前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値をフィードバックして前記レーザ発振部の励起光源に電力を供給する電源部と
    を有するレーザ溶接装置。
  2. 前記レーザ走査部が、
    前記レーザ発振部からの前記パルスレーザ光を入射する第1の軸で回転可能な第1のスキャン・ミラーと、
    前記第1のスキャン・ミラーで反射された前記パルスレーザ光を入射する前記第1の軸と直交する第2の軸で回転可能な第2のスキャン・ミラーと、
    前記パルスレーザ光の照射位置を第1の方向において前記溶接ポイントに位置合わせするために前記第1のスキャン・ミラーを回転駆動して所定のミラー回転角度に合わせる第1のガルバノメータと、
    前記パルスレーザ光の照射位置を第2の方向において前記溶接ポイントに位置合わせするために前記第2のスキャン・ミラーを回転駆動して所定のミラー回転角度に合わせる第2のガルバノメータと、
    前記第2のスキャン・ミラーで反射された前記パルスレーザ光を入射して前記溶接ポイントに集光する集光レンズと
    を有する請求項1に記載のレーザ溶接装置。
  3. 前記電源部が、
    前記レーザ発振部の励起光源に供給する電力を蓄積するコンデンサと、
    前記コンデンサと前記励起光源との間に接続されたスイッチング素子と、
    前記コンデンサを予め設定された充電電圧に充電する充電部と、
    前記レーザ出力測定部からのレーザ出力測定値をレーザ出力設定値と比較し、比較誤差に基づいて前記スイッチング素子をスイッチング制御する電源制御部と
    を有する請求項1または請求項2に記載のレーザ溶接装置。
  4. 前記電源制御部が、前記スイッチング素子をパルス幅制御方式でスイッチング制御する請求項3に記載のレーザ溶接装置。
  5. 前記充電部が、
    商用周波数の交流を整流して直流に変換する第1の整流回路と、
    前記第1の整流回路より出力された直流を高周波パルスに変換するインバータと、
    前記インバータの出力を一次側コイルに入力し、二次側コイルより昇圧された高周波パルスを出力するトランスと、
    前記トランスの二次側コイルより出力された前記高周波パルスを整流して前記コンデンサに直流の充電電流を供給する第2の整流回路と、
    前記コンデンサの充電電圧を測定する電圧測定部と、
    前記電圧測定部より得られる充電電圧測定値が充電電圧設定値付近に維持されるように前記インバータのスイッチング動作を制御する充電電圧制御手段と
    を有する請求項3または請求項4に記載のレーザ溶接装置。
  6. 前記充電部が、
    前記コンデンサに供給される充電電流を測定する電流測定手段と、
    前記電流測定手段より得られる充電電流測定値を充電電流設定値に一致させるように前記インバータのスイッチング動作を制御する充電電流制御手段と
    を有する請求項5に記載のレーザ溶接装置。
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